JPH0646082B2 - ボイラ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は、気水分離器ドレンタンクを備えたボイラ装置
に係り、特に起動時における前記ドレンタンクの水位を
安定化することのできるボイラ装置に関するものであ
る。

〔発明の背景〕

第１図は、気水分離器ドレンタンクを備えたボイラ装置
の系統図である。

ボイラ給水ポンプ１より給水加熱器２を通して供給され
た水は節炭器３、火炉水壁４で加熱され、気水混合物と
なつて気水分離器５に送られる。気水分離器５で分離さ
れたドレンは、気水分離器ドレンタンク６に貯えられ、
再循環ポンプ７により節炭器３の入口側に戻される（以
下これをボイラ循環という）。ここで再循環流量調節弁
８は、ドレンタンク６の水位に応じてボイラ再循環量を
調節して、水位の変動を抑えるために設けられている。
ドレンタンクオーバーフロー弁９は、再循環流量調節弁
８が全開してもなおドレンタンク６の水位が下がらない
場合に用いられ、このオーバーフロー弁９を開いてドレ
ンを放出することによりドレンタンク６の水位を下げる
ことができる。

ボイラ点火後、過熱器１０の出口蒸気が蒸気タービン１
３に通気可能な温度、圧力に昇温、昇圧されるまではタ
ービン加減弁１２が閉じ、過熱器１０から出た蒸気はタ
ービンバイパス弁１１を通つて放出される。このときタ
ービンバイパス弁１１は蒸気圧力が一定となるようにそ
の通過量を調節する、いわゆる逃し制御を行なう。また
この場合、過熱器１０の中間点または入口に蒸気を放出
する過熱器バイパス弁（図示せず）を設け、前記タービ
ンバイパス弁１１と併用して逃し制御を行なう場合もあ
る。

第２図は、火炉水壁４を構成する伝熱管１４の一部を模
式的に示した図で、図面に向つて左端が火炉水壁４の入
口側に、右端が火炉水壁４の出口側にそれぞれ相当して
いる。図中の１５は水、１６は気水混合物、１７は気
泡、矢印は流体の流れ方向をそれぞれ示している。

第３図は、第２図に示す伝熱管１４の各部位における内
部通過流体のエンタルピ（曲線１８）と、ボイド率（曲
線１９）を示している。ここでボイド率とは気水混合物
の気相と液相の体積比で、その重量比である乾き度に対
応する量である。

火炉水壁４の伝熱管１４を保護するため、伝熱管１４へ
の１本当りの給水量をある最低値以上に確保しなければ
ならない。火炉水壁４の全伝熱管１４の最低給水量を合
計した値を火炉水壁保護最低給水量と呼んでいる。第１
図に示すボイラ給水流量調節弁４１は火炉水壁保護最低
給水量を確保するように調節されており、おおむね火炉
水壁保護最低給水量からボイラ再循環量を差し引いた給
水量をボイラに供給するように操作する。

第３図において、伝熱管１４内を流通する流体が完全に
熱平衡であれば、すなわち伝熱管１４内を流通する流体
の径方向における流体エンタルピが一様であれば、流体
エンタルピがその時点の流体圧力における飽和エンタル
ピｈ′の値を越える点（飽和水エンタルピ到達点）２０
の前流側には気泡は存在しない。ところが実際には、伝
熱管１４内を流通する流体の径方向における流体エンタ
ルピは一様でなく分布を有しているから、流体全体の平
均エンタルピが飽和エンタルピｈ′を下回り、飽和水エ
ンタルピ到達点２０の前流側にも気泡が存在し、これを
サブクール沸騰と呼んでいる。またこのことは気水分離
器５の入口側の流体エンタルピが飽和水エンタルピｈ′
以下（サブクール領域）でも、飽和水エンタルピｈ′近
傍であれば気水分離器５から蒸気が発生し得ることを示
している。

第４図は、流体エンタルピと流体ボイド率との関係を示
す特性図で、前述のサブクール沸騰が発生しない場合の
熱平衡ボイト率２１と、サブクール沸騰が発生した場合
のボイド率１９をそれぞれ流体エンタルピの関数として
示している。

前者の熱平衡ボイド率２１は、周知の如く流体エンタル
ピより蒸気乾き度を求め、これをその圧力における飽和
水と飽和蒸気の比容積を用いて体積比に換算すれば求ら
れる。一方、後者のボイド率１９は、伝熱管１４が受け
る単位面積当りの熱量（熱負荷）や管内の流速に依存し
て複雑になり、計算式としてはミロポルスキーの実験式
などが知られている。また、前者の値は後者の値を上回
らないこと、ならびにボイド率０．８以上の領域では両
者の値にはほとんど差がないことも知られている。

なお、第４図において２１は熱平衡ボイド率、２２はボ
イド率０．９到達点、２５はサブクール沸騰域を示して
いる。

第５図は、流体圧力における飽和水エンタルピと、伝熱
管内がほとんど気相に変わるボイド率が０．９となるエ
ンタルピを蒸気表（日本機械学会１９６８年版 蒸気表
参考）より求めたものである。第５図のボイド率が０．
９となるエンタルピは熱平衡ボイド率として算出してい
るが、前述の理由により実際の現象との差は無視できる
程度である。

この図において飽和水エンタルピを示めす曲線２３と、
ボイド率０．９となるエンタルピを示めす曲線２４との
差は、流体圧力１００kg/cm²absでは１３１．４Kcal/kg
程度であるのに対して、流体圧力が５０kg/cm²abs、２
０kg/cm²abs、５kg/cm²absと低下するのに従つて、それ
ぞれ８７．６５Kcal/kg、４２．６７Kcal/kg、１２．６
５Kcal/kgと低下し、流体圧力が１kg/cm²absでは僅か
２．９２Kcal/kgとなつてしまう。

このような水の物理的性質により、従来のボイラ装置で
は次のような欠点を有している。

すなわち、火炉水壁４は多数並設された伝熱管１４によ
り構成されている。これらの伝熱管１４内を流れる流体
について、圧力は瞬時に伝わるため一様と考えてよい
が、エンタルピは火炉内での伝熱管１４の位置、あるい
はバーナの点火や消火に伴う火炉水壁各部の熱吸収分布
の変化により、定常的にも、過渡的にも変化がある。第
５図に示すように特に流体圧力が低い領域では僅かのエ
ンタルピ上昇によりボイド率が大幅に上昇し、このこと
は伝熱管１４内の気泡の体積が急増した分だけ水が急激
に押し出されることを意味する。

伝熱管１４内の流体圧力が低い領域で、熱吸収が偏つて
増加する伝熱管群があると、その伝熱管群内の液相が急
激に押し出されて、気水分離器ドレンタンク６の水位を
急速に上昇させ、プロツペン現象と呼ばれる状態とな
る。

このプロツペン現像が生じると、気水分離器ドレンタン
ク６の制御系では、再循環流量調節弁８の開度を増し、
場合によつてはドレンタンクオーバーフロー弁９も併用
して、気水分離器ドレンタンク６の水位を下げようとす
る。しかし、プロツペン現象はあくまでも比炉水壁４
（伝熱管１４）内の液相が押し出される一時的なもの
で、伝熱管１４内がほとんど気相になると、直ちに気水
分離器ドレンタンク６に流入するドレン量が減少し、水
位も急低下する。

ところが、この水位の急上昇後の急低下が次のような問
題をもたらす。すなわち第１に、再循環ポンプ７が蒸気
を吸込むとキヤビテーシヨンによりポンプが破壊される
ため、これを防ぐために急速に再循環流量調節弁８、ド
レンタンクオーバーフロー弁９をそれぞれ絞らなければ
ならない。また第２に、再循環流量調節弁８を急に閉じ
ることによりボイラ再循環量が急減し、火炉水壁４への
給水量が低下し、ボイラ給水流量調節弁４１を直ちに開
いて給水しなければならない。このときの給水増加が間
に合わず、火炉水壁４への給水量が最低保護給水量を下
回わり、ボイラ装置を急停止することがしばしば起る。

このようなことから従来のボイラ装置では、再循環流量
調節弁８、ドレンタンクオーバーフロー弁９、ボイラ給
水流量調節弁４１の急速操作を図るため、高価な急速弁
駆動装置を採用したり、制御装置の応答性を改善するな
どの工夫がなされていたが、これにも限度があり、結
局、起動時間の短縮を犠牲にして燃料の投入量の制限を
行なわざるを得なかつた。

〔発明の目的〕

本発明は、上記従来技術の欠点を解消し、起動時におけ
るドレンタンクの水位を安定化することができ、起動時
間が短縮され、起動操作性の優れたボイラ装置を提供す
るものである。

〔発明の概要〕

上記の目的を達成するため、本発明は、 火炉水壁の下流側に設置された気水分離器と、 その気水分離器の下流側に設置された気水分離器ドレン
タンクと、 前記気水分離器の下流側に接続された蒸気抜出し量調節
弁とを備えたボイラ装置において、 前記火炉水壁を流通する流体の温度を検出する温度検出
器と、 該気水分離器の入口側流体温度に対応する飽和蒸気圧力
値よりも所定値高い目標蒸気圧力値を予め設定してお
き、前記温度検出器から検出された実測入口側流体温度
に対応する目標蒸気圧力値を演算する第１の演算手段
と、 蒸気圧力を検出する圧力検出器と、 その圧力検出器からの実測圧力値と前記第１の演算手段
によつて演算された目標蒸気圧力値とを比較して、実測
圧力値が目標蒸気圧力値と一致するようにプロツペン低
減信号を出力する第２の演算手段と、 その第２の演算手段から出力されるプロツペン低減信号
に基づいて前記蒸気抜出し量調節弁の開度を調整する弁
開度調整手段とを有することを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

次に本発明の実施例を図とともに説明する。第６図は、
実施例に係るタービンバイパス弁１１の開度を制御する
制御装置のフローチヤートである。

火炉水壁４を構成する多数の伝熱管１４は隣接するもの
どうしで各ヘツダによりまとめられており、各出口側ヘ
ツダには火炉水壁出口流体温度検出器２６が付設されて
いる。これら各温度検出器２６から出力された温度信号
は信号平均装置４３により平均化され、その平均値が気
水分離器５の圧力目標値を算出する関数発生器２８に入
力される。

この関数発生器２８は、第７図に示すような特性曲線を
有している。すなわち、火炉水壁出口平均流体温度（気
水分離器入口流体温度）に対応する飽和蒸気圧力曲線３
４よりバイアス値５０だけ高い目の設定曲線３５が設け
られている。

一方、気水分離器５には気水分離器圧力検出器２７が付
設されており、この圧力検出器２７からの検出信号を減
算器２９に入力し、比例積分器３０により前記気水分離
器圧力検出器２７からの検出信号を前記関数発生器２８
から出力される目標値に一致させるプロツペン低減信号
３１を出力する。

信号３２はタービンバイパス弁１１の基本操作信号で、
この信号３２と前記プロツペン低減信号３１とが低信号
選択器３３に入力され、低信号の方が操作信号として選
択されてタービンバイパス弁１１を操作する。すなわち
この制御装置により、気水分離器５の圧力は関数発生器
２８より算出される目標値と等しいか、それより高く維
持されるように制御される。

この制御装置により、気水分離器５の圧力をその入口平
均流体温度に対応する飽和圧力より高くする理由につい
て次に説明する。

第８図(a),(b)は、本発明を適用しない場合の火炉水壁
４の出口側における流体エンタルピと流体温度の分布を
模式的に示す図である。図中の曲線４４は流体エンタル
ピ分布曲線、直線４７は火炉水壁４の出口側の流体平均
温度に対応する飽和水エンタルピ、直線４８は気水分離
器圧力に対応する飽和水エンタルピ、斜線の領域４９は
気泡の存在範囲、曲線４５は火炉水壁４の出口側におけ
る流体温度分布、直線４６は火炉水壁４の出口側におけ
る平均温度をそれぞれ火炉水壁４の伝熱管１４との位置
対応で示している。

図に示すようにエンタルピ分布曲線４４が直線４８を越
えると流体の熱平衡乾き度が正となる。サブクール沸騰
により飽和水エンタルピ４８よりもエンタルピが少し低
い範囲が気泡の存在範囲４９となる。この場合、流体エ
ンタルピ４４の頂上付近ではボイド率が高くなつてしま
う。ここで流体温度４５は、熱平衡乾き度が正の範囲で
は飽和温度に一定となる。

第９図(a),(b)は、本発明を適用した場合の同様の特性
図である。第７図で説明したように、気水分離器５の圧
力をその入口平均温度に対する飽和圧力よりバイアス値
５０だけ高くしている。そのため、これをエンタルピ的
にみると、平均温度４６における飽和水エンタルピ４７
より、実際の気水分離器圧力における飽和水エンタルピ
は、圧力差に対応する飽和水エンタルピ差５１だけ高く
維持され、この圧力バイアスの設定により気泡の存在範
囲４９が可変できる。この場合、火炉水壁４からの蒸発
が零になれば、それ以上気水分離器圧力を上昇すること
はできないが、サブクール沸騰が存在するので、飽和水
エンタルピ直線４８が流体エンタルピ曲線４４の頂上と
接近する付近で、火炉水壁４内の気泡がほとんどなくな
る程度までは圧力バイアスが可能である。

従つて本発明では、飽和水エンタルピ（４７、４８）よ
り流体エンタルピ（４４）が僅かに上回るとボイド率が
急激に高くなる低圧領域では圧力バイアスを大きくし、
火炉水壁４の出口のいずれの場所でもボイド率零または
低ボイド率に維持する。やがて流体圧力が高くなり、エ
ンタルピの上昇によりボイド率が急速に上昇しなくなる
に従つてバイアス値を下げ、前述のボイド率の自己平衡
作用によりプロツペン現象が低減できる流体圧力領域に
なればこの制御を打ち切る。

制御の打ち切りは、バイアス値を負にすればよい。この
ようにすることにより、低圧領域ではプロツペン現象が
低減でき、圧力の上昇に従い徐々に蒸発量を増加してウ
オーミングに必要な蒸気量を確保する制御が可能であ
る。

本発明において、制御の基本計測値となる火炉水壁４の
出口平均流体温度は重要で、これを正しく把握しないと
良好な動作は行なわれない。そのためには、火炉水壁４
の出口側にはできるだけ多くの流体温度検出器２６を設
け、検出値を平均化することが望ましい。

第１０図は、第６図で説明した制御装置をさらに急速な
プロツペン現象が発生した場合でも対応できるようにし
た制御装置のフローチヤートである。

すなわ、気水分離器ドレンタンク６に付設した水位検出
器３６（第１図参照）からの信号を信号微分器３７で微
分し、しきい値設定器３８に入力する。この設定器３８
には予めしきい値として水位上昇速度が設定されてお
り、気水分離器ドレンタンク６の水位上昇速度が設定さ
れた水位上昇速度を越えたことを前記設定器３８で検出
すると、その信号を符号反転器３９に入力し、急速にタ
ービンバイパス弁１１を閉じるドレンタンク水位緊急低
減信号４２として加算器４０に入力する。この加算器４
０には第６図で説明したように、多数の火炉水壁出口流
体温度検出器２６ならびに気水分離器流体圧力検出器２
７からの検出信号に基づいて作成されたプロツペン低減
信号３１も入力され、前述のドレンタンク水位緊急低減
信号４２に加算されて、その和信号により第６図の場合
と同様にタービンバイパス弁１１を操作する。

気水分離器ドレンタンク６の水位がプロツペン現象によ
り急激に上昇した場合でも、前記制御装置の動作により
直ちにセパレータ蒸気圧力を上昇させ、火炉水壁４内の
ボイド率を低下させ、火炉水壁４から押し出されるドレ
ン量を低減できる。これにより気水分離器ドレンタンク
６の水位の急低下が防止でき、前述した種々のトラブル
が解消できる。

また、蒸発量の増加に伴なう気水分離器圧力の上昇の応
答性を高めることになり、ボイド率の自己平衡作用を助
長する。

〔発明の効果〕

本発明は前述のような構成になつているから、ボイラ起
動時のプロツペン現象によるドレンタンク水位の急上昇
とその後の急低下が緩和され、次のような効果を有す
る。すなわち、 水位急上昇に伴なうドレンタンクオーバーフロー弁の
ドレン放出による熱損失が低減できる。

水位急低下による再循環ポンプのキヤビテーシヨンが
防げる。

水位急低下によるボイラ再循環量の急減が抑制され、
火炉水壁保護給水量の不足が防止できる。

プロツペン現象の発生によつて抑制されていた起動時
における燃料量の投入量制限、バーナパターンの制限な
どが緩和され、起動時間の短縮ならびに起動操作の簡略
化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はボイラ装置の系統図、第２図は伝熱管の模式
図、第３図は伝熱管通過流体のエンタルピとボイド率の
特性図、第４図は流体エンタルピと流体ボイド率の関係
を示す特性図、第５図は流体圧力と流体エンタルピの関
係を示す特性図、第６図は本発明の実施例に係る制御装
置のフローチヤート、第７図はその制御装置に用いられ
る関数発生器の設定曲線を説明するための図、第８図
(a)、(b)は本発明を適用しない場合の流体エンタルピと
流体温度の分布図、第９図(a)、(b)は本発明を適用した
場合の流体エンタルピと流体温度の分布図、第１０図は
本発明の他の実施例に係る制御装置のフローチヤートで
ある。 ４……火炉水壁、５……気水分離器、６……気水分離器
ドレンタンク、１１……タービンバイパス弁、１４……
伝熱管、２６……火炉水壁出口流体温度検出器、２８…
…関数発生器、２９……減算器、３０……比例積分器、
３１……プロツペン低減信号、３２……タービンバイパ
ス弁基本操作信号、３３……低信号選択器、３６……気
水分離器ドレンタンク水位検出器、３７……信号微分
器、３７……しきい値設定器、３９……符号反転器、４
０……加算器、４２……ドレンタンク水位緊急低減信
号、４３……信号平均装置。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】火炉水壁の下流側に設置された気水分離器
   と、 その気水分離器の下流側に設置された気水分離器ドレン
   タンクと、 前記気水分離器の下流側に接続された蒸気抜出し量調節
   弁とを備えたボイラ装置において、 前記火炉水壁を流通する流体の温度を検出する温度検出
   器と、 該気水分離器の入口側流体温度に対応する飽和蒸気圧力
   値よりも所定値高い目標蒸気圧力値を予め設定してお
   き、前記温度検出器から検出された実測入口側流体温度
   に対応する目標蒸気圧力値を演算する第１の演算手段
   と、 蒸気圧力を検出する圧力検出器と、 その圧力検出器からの実測圧力値と前記第１の演算手段
   によつて演算された目標蒸気圧力値とを比較して、実測
   圧力値が目標蒸気圧力値と一致するようにプロツペン低
   減信号を出力する第２の演算手段と、 その第２の演算手段から出力されるプロツペン低減信号
   に基づいて前記蒸気抜出し量調節弁の開度を調整する弁
   開度調整手段とを有することを特徴とするボイラ装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記温度検出器が火炉水壁の各ヘツダに取り付けられ、
   各温度検出器から検出された流体温度を平均化する平均
   値演算手段が設けられ、 その平均値演算手段から出力される平均値を実測入口側
   流体温度として前記第１の演算手段に入力することを特
   徴とするボイラ装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記気水分離器ドレンタンクに付設された水位検出器
   と、 その水位検出器からの実測水位に基づいて水位上昇率を
   演算する水位上昇率演算手段と、 ドレンタンクの水位上昇率しきい値を予め設定し、前記
   水位上昇率演算手段からの水位上昇率と水位上昇率しき
   い値とを比較して、水位上昇率が水位上昇率しきい値を
   越えると水位緊急低減信号を出力する緊急信号出力手段
   と、 その緊急信号出力手段から出力される水位緊急低減信号
   を、前記第２の演算手段から出力されるプロツペン低減
   信号に加算する加算手段とを有することを特徴とするボ
   イラ装置。